Sonochemisch verbeterde Mannich-reacties
Mannich-reacties zijn belangrijke reacties waarbij koolstof–koolstofbindingen worden gevormd en die op grote schaal worden toegepast in sectoren zoals de farmaceutische productie en de synthese van natuurlijke producten. Hoewel de meeste eenpots-Mannich-reacties zeer langzaam verlopen, zijn de positieve effecten van ultrasone behandeling op Mannich-reacties snel toegepast om de opbrengst en reactiesnelheid te verhogen en de traditioneel lange reactietijd terug te brengen tot een korte procedure voor Mannich-reacties.
Sonochemie en de voordelen ervan bij Mannich-reacties
De Mannich-reactie is een van de belangrijkste reacties voor de vorming van koolstof–koolstofbindingen in de organische synthese, omdat deze synthetisch en biologisch belangrijke 𝛽-aminocarbonylverbindingen oplevert, die belangrijke tussenproducten zijn voor de opbouw van uiteenlopende stikstofhoudende natuurlijke producten en geneesmiddelen.
Ultrasoon inline-systeem voor sonochemische reacties, bijvoorbeeld voor verbeterde Mannich-reacties
Het is bewezen dat ultrasone bestraling en de daardoor opgewekte sonochemische effecten de reactiekinetiek bij Mannich-reacties drastisch versnellen, bijvoorbeeld met een 13-voudige verkorting van de reactietijd van 20h tot 1,5h.
Ultrasone behandeling verbetert de eenpots-Mannich-reactie van ketonen, aldehyden en aminen die door sulfaminezuur als katalysator wordt gekatalyseerd.
Schema aangepast op basis van Zeng et al., 2009
- Aanzienlijk kortere reactietijd
- Hogere opbrengsten
- Nauwkeurig regelbare omstandigheden
- Temperatuurregeling
- Batch en inline
- Groene chemie
Ultrasone Mannich-reactie van 𝛽-aminocarbonylverbindingen
Sulfaminezuur (NH2SO3H, SA) werd gebruikt als een efficiënte, goedkope, niet-toxische en recyclebare groene katalysator voor de ultrasoon ondersteunde eenpots-Mannich-reactie van aldehyden met ketonen en aminen. Dit ultrasone protocol biedt de voordelen van een hoge opbrengst, milde omstandigheden, geen milieuvervuiling en eenvoudige opwerkingsprocedures. Het belangrijkste is dat met deze methode voor het eerst beta-aminocarbonylverbindingen met ortho-gesubstitueerde aromatische aminen in aanvaardbare tot goede opbrengsten worden verkregen.
Sulfaminezuur werd als katalysator onderzocht en 10 mol% sulfaminezuur was voldoende om de reactie volledig te laten verlopen tot een opbrengst van 95% in een aanzienlijk verkorte reactietijd van 1,5h (in vergelijking met roeren op hoge snelheid, waarmee slechts een opbrengst van 85% in ongeveer 20h werd bereikt). Dit onderstreept het algemeen vastgestelde feit dat ultrageluid met hoog vermogen en sonochemie organische reacties versnellen. De onderstaande tabel toont de aanzienlijke voordelen van ultrasone behandeling ten opzichte van roeren op hoge snelheid bij Mannich-reacties.
De tabel laat zien dat ultrasoon gekatalyseerde Mannich-reacties aanzienlijk sneller en efficiënter zijn dan roeren op hoge snelheid.
Onderzoek: © Zeng et al., 2009
Sonochemische apparatuur met hoge prestaties voor Mannich-reacties
Sonochemische apparatuur voor de synthese en katalyse van chemische producten zoals aminocarbonylverbindingen en andere tussenproducten is direct beschikbaar in elke grootte – van compacte laboratoriumsonicatoren tot volledig industriële ultrasone reactoren. Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert sonicatoren met hoog vermogen. Alle ultrasone systemen worden op het hoofdkantoor in Teltow, Duitsland, geproduceerd en van daaruit wereldwijd gedistribueerd.
De geavanceerde hardware en slimme software van de sonicatoren van Hielscher zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. De sonicatoren van Hielscher zijn robuust en betrouwbaar, waardoor ze onder zware omstandigheden kunnen worden geïnstalleerd en gebruikt. Bedrijfsinstellingen kunnen eenvoudig worden opgeroepen en ingesteld via een intuïtief menu, dat toegankelijk is via een digitaal kleurentouchscreen en afstandsbediening via een browser. Alle procesomstandigheden, zoals netto-energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur, worden daarom automatisch op een ingebouwde SD-kaart vastgelegd. Hiermee kunt u eerdere sonicatieprocessen beoordelen en vergelijken en de synthese en functionalisering binnen sonochemisch verbeterde reacties, zoals de Mannich-reactie, Diels-Alder-reactie of Michael-additie, optimaliseren voor de hoogste efficiëntie.
Systemen van Hielscher Ultrasonics worden wereldwijd gebruikt voor sonochemische processen (sonosynthese en sonokatalyse) en hebben zich bewezen als betrouwbare apparatuur voor batchverwerking en continue inline-verwerking. Industriële sonicatoren van Hielscher kunnen gemakkelijk met hoge amplitudes in continubedrijf (24/7/365) werken. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden gegenereerd met standaardsonotroden (ultrasone sondes / hoorns). Voor nog hogere amplitudes zijn ultrasone sonotroden op maat beschikbaar. Dankzij hun robuustheid en geringe onderhoudsbehoefte worden onze sonicatoren veelvuldig geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
Ultrasone processoren van Hielscher voor sonochemische syntheses zijn wereldwijd al op commerciële schaal geïnstalleerd. Neem nu contact met ons op om uw sonochemisch aangedreven synthese via de Mannich-reactie te bespreken! Onze zeer ervaren medewerkers geven u graag meer informatie over de sonochemische syntheseroute, ultrasone systemen en prijzen!
Dankzij de voordelen van de ultrasone synthesemethode zal uw chemische productie uitblinken in efficiëntie, eenvoud en lage kosten in vergelijking met andere katalytische syntheseprocessen!
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500mL | 10 tot 200mL/min | UP100H |
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.v.t. | hoger | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties voor mengtoepassingen, dispersie, emulgering en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Literatuur / Referenties
- Zeng H., Li H., Shao H. (2009): One-pot three-component Mannich-type reactions using sulfamic acid catalyst under ultrasound irradiation. Ultrasonics Sonochemistry16(6), 2009. 758-762.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Bravo, José; Lopez, Ignacio; Cintas, Pedro; Silvero, Guadalupe; Arévalo, María (2006): Sonochemical cycloadditions in ionic liquids. Lessons from model cases involving common dienes and carbonyl dienophiles. Ultrasonics Sonochemistry 13, 2006. 408-414.
- Piotr Kwiatkowski, Krzysztof Dudziński, Dawid Łyżwa (2013): “Non-Classical” Activation of Organocatalytic Reaction. In: Peter I. Dalko (Ed.), Comprehensive Enantioselective Organocatalysis: Catalysts, Reactions, and Applications. John Wiley & Sons, 2013.
Wetenswaardigheden
Wat is de Mannich-reactie?
De Mannich-reactie is gebaseerd op een meercomponentencondensatie van een niet-enoliseerbaar aldehyde, een primair of secundair amine en een enoliseerbare carbonylverbinding, waarbij geaminomethyleerde producten ontstaan. Het iminiumderivaat van het aldehyde fungeert als acceptor in de Mannich-reactie.
De Mannich-reactie wordt in veel gebieden van de organische chemie gebruikt. Omdat de Mannich-reactie als een praktische eenpotsreactie kan worden uitgevoerd en ook als dubbele Mannich-reacties kan worden opgezet, wordt dit reactietype gebruikt voor de synthese van fijnchemicaliën, speciale chemicaliën, geneesmiddelen en natuurlijke stoffen (gebruikt in biosynthetische routes, vooral voor de synthese van alkaloïden, peptiden en nucleotiden).
Veelvoorkomende voorbeelden van chemicaliën die via de Mannich-reactie worden gesynthetiseerd zijn:
- alkylaminen
- peptiden, nucleotiden, antibiotica en alkaloïden (bijvoorbeeld tropinon)
- agrochemicaliën, zoals plantengroeiregulatoren
- verven en polymeren
- katalysatoren
- vernetting van weefsel met formaldehyde
- medicijnen en farmaceutische geneesmiddelen (bijvoorbeeld rolitetracycline (het Mannich-product van tetracycline en pyrrolidine), fluoxetine (antidepressivum), tramadol en tolmetin (ontstekingsremmend geneesmiddel).
- zeep en detergenten: De Mannich-reactie wordt gebruikt om alkylaminen te synthetiseren, waarbij apolaire koolwaterstoffen worden omgezet in zeep of detergenten. Deze resulterende verbindingen worden gebruikt in uiteenlopende reinigingstoepassingen, behandelingen van autobrandstoffen en epoxycoatings
- polyetheraminen uit gesubstitueerde alkylethers met vertakte ketens
- α,β-onverzadigde ketonen door de thermische afbraak van Mannich-reactieproducten (bijvoorbeeld methylvinylketon uit 1-diethylamino-butan-3-on)
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.